（电力系统及其自动化专业论文）开关柜温度在线监测系统软件设计.pdf

d e s i g no ft e m p e r a t u r eo n l i n em o n i t o r i n gs o f t w a r e o fh i g h v o l t a g es w i t c h g e a r a b s t r a c t e x i s t i n gm e a s u r ee q u i p m e n to ft e m p e r a t u r eo fh i g h v o l t a g es w i t c h g e a rb a s e d o ne x p e n s i v es e n s o rs u c ha si rs e n s o ro rf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ri sf a c e do n i n c r e a s i n g l yd if f i c u l t yw h e nb e i n gi n s t a l l e di ns w i t c h g e a rw i t hm o r ea n dm o r e c o m p l e xs t r u c t u r e f o rl i m i t a t i o no ft h ep r i n c i p l ea n dt h em a n n e r t h i se q u i p m e n t c a no n l yo b t a i nt e m p e r a t u r ed a t ao ft h ee l e c t r i c a l p o l a rb u tc a n ta n a l y z et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ns w i t c h g e a r a sar e s u l t ，t h ee x a c tp r e d i c t i o no fo v e r - h e a t c a n tb ep r o v i d e d i nt h i sp a p e r ，an e w l yo n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mo f h i g h - v o l t a g es w i t c h g e a ri sd e s c r i b e d t h et e m p e r a t u r ef i e l di so b t a i nb yd i g i t a l t e m p e r a t u r es e n s o r sd i s p l a y , a n dt h el a t i t u d ea n dl o n g i t u d ec o m p a r i s o ni sm a d eb y a s s o c i a t i o no fr u n n i n gd a t ao b t a i n e db ys c a d aa n dh i s t o r yd a t af r o md a t a b a s e t h es t a t ed i a g n o s i sa n dt h ef a u l ta l a r ma r ea c q u i r e do nb a s eo fo n l i n em o n i t o r i n g p r a c t i c a lr u n n i n gm a n i f e s tt h ea c c u r a c ya n df e a s i b l e n e s so fs y n t h e t i ce s t i m a t i o no f h i g h v o l t a g em a d eb yt h i ss y s t e m k e yw o r d s ：h i g h v o l t a g es w i t c h g e a r ，o n l i n em o n i t o r i n g ，s t a t er e p a i r ，d i g i t a l t e m p e r a t u r es e n s o r 插图清单 图2 1 系统框方案8 图2 2d sl8 8 2 0 的结构一9 图2 3 数据采集器系统框图1 0 图2 4 开关柜数据采集器固件系统流程1 1 图2 5 通信模块固件流程1 2 图3 1 监测软件结构图j1 5 图3 2 数据层次图1 6 图4 1 系统软件模块结构2 2 图4 2 服务器界面设计用例图2 3 图4 3 服务器界面程序u i 设计2 3 图4 - 4 服务器界面右键菜单设计2 4 图4 5 服务器界面的类图2 5 图4 6 服务器界面的活动图2 6 图4 7 实时库程序的类图2 7 图4 8 实时库程序活动图2 8 图4 - 9 报警服务器类图3 0 图4 1 0 报警服务器活动图3 1 图4 1 l 历史数据保存模块活动图3 2 图4 1 2 数据库配置程序界面3 3 图4 1 3 量测输入界面3 3 图4 1 4 设备录入的选择框3 4 图4 1 5 报警模块界面3 5 图4 1 6 前置机界面3 6 图4 1 7 历史数据显示方式4 0 图4 1 8 历史运用模块中的曲线管理区域。4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位敝储躲你在灸签字嗍雕月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合 目巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作- 东社友 签字b 羯：妒8 年 r6e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师繇扩岛 签字日期：矿年之月台日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师孙鸣教授的精心指导下完成的。在我二年半的研究生 学习中，孙老师在学习、生活、思想等各方面都给予我极大的关心和帮助，本 人所取得的成绩均倾注了他大量的心血。孙老师严谨的治学态度、高尚的人格 和渊博的知识都是我今后学习的楷模。在此谨向孙老师致以衷心的感谢和崇高 的敬意! 同时，也要感谢王磊老师和肖立老师在我论文完成期间给予的指导和帮助! 感谢用户电力技术研究室的唐亮、吴兆文、赵月灵、余娟等同学在我做课题期 间给予的帮助! 最后，我还要特别感谢我的家人和朋友，是他们的支持和鼓励帮助我顺利 的完成了论文研究工作! 作者：陈桂友 二零零七年十二月 第一章引言 1 1 高压开关柜温度在线监测技术背景与意义 高压开关柜是输配电系统中的重要设备，承担着开断和关合电力线路、线 路故障保护、监测运行电量数据的重要作用，在电力系统中获得了日益广泛的 运用。随着国家十一五计划的实施、国民经济的发展，现代电力系统对电能质 量提出了更高的要求。国务院于2 0 0 6 年2 月发布的国家中长期科学和技术发 展规划纲要中，超大规模输配电和电网安全保障被列为能源这一重点领域中 的优先主题。电力设备安全可靠性是超大规模输配电和电网安全保障的重要环 节，高压开关柜作为一种广泛运用的电力设备，其安全可靠性也因而受到了更 多的重视。据不完全统计，国内不少发电公司、电力公司均出现过不同程度的 高压开关柜故障并造成了一定的经济损失，这些故障一方面来自开关柜本身的 质量问题，更重要的原因在于目前缺乏针对开关柜的有效监测手段。 目前对高压开关柜的监测都基于人工巡检，用手持式红外测温仪获得开关 柜内的温度数据，但由于开关柜的结构越来越复杂，元件遮挡的影响使得红外 测温仪往往无法获得准确的温度数据；同时人工操作中的失误不可能完全避免， 且巡检时间间隔相对于故障发展时间来说也过长。电力系统中对电力设备的检 修正在由故障检修、预防性检修向状态检修的过渡，作为输配电系统中广泛运 用的高压开关柜，对其实施状态检修有极大的重要性。因此，研究开发一种新 型高精度、高可靠性的高压开关柜在线监测及故障诊断系统具有重大的意义。 1 2 温度在线监测技术研究现状 1 2 1 测温方式研究现状 常规的监测方式并不能发现开关柜潜在的故障，更无法判断故障发展趋势， 针对人工巡检的不足，各科研院所和生产厂家开发了一系列新型的高压开关柜 温度监测装置，在一定程度上克服了人工巡检的弱点。这些装置的测温原理大 致分为如下几类： 红外成像 通过红外热像仪获得开关柜的红外图谱，通过红外图谱间接判断开关柜的 温度。 传统接触式测温、红外信号传输 采用传统的接触式温度传感器( 热电藕、集成温度传感器等) 测温，传感 器信号处理电路安装在高压母线上，电源通过感应线圈从高压母线获得。测量 所得信号经数字编码后驱动红外发射管，由安装于柜体低电位上的红外接收管 接收红外信号，再通过解码电路得到温度数据。 红外探头测温 在开关柜柜体上安装若干红外测温探头，通过接收电触头的红外辐射来确 定其温度。 光纤测温 在电触头表面上贴装光纤温度传感器，通过光缆连接到安装于柜体的光纤 解调器，光纤解调器输出对应的温度数据。 以上提到的装置虽然解决了人工巡检存在的问题，但依然存在不足，其主 要的局限性如下： 红外成像的方法在变电站套管、避雷器、母线等设备的温度监测中应 用较多，但由于高压开关柜内部结构复杂，元件互相遮挡较多，通过红外图谱 间接获取温度数据其准确性不能满足要求，对红外图谱的计算机识别技术水平 还不能替代人工识别，自动化程度不高，同时红外热像仪的成本较高，不利于 推广使用。 传统接触式测温、红外信号传输的方式需要将温度检测器和获取电源 的感应线圈安装于高压母线上，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难，同 时有可能降低开关柜内部的绝缘净距。 红外探头测温的方式容易受到开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影 响，不能准确测得触头温度，虽然可以采取一定的校正，但红外辐射的影响因 素很多且具有时变性，无法对其一一校正，因而这种方式通用性较差无法推广 使用。 光纤测温的方式目前应用较多，但其配套的光纤传感网络分析仪体积较 大，无法在开关柜内部安装，同时该分析仪只提供了与单台p c 机的通信接口， 无法嵌入已有的变电站自动化系统中。 除了在测温原理和方式上分别具有不同程度的局限性外，以上装置还存在 高压开关柜故障诊断策略上的共同局限性。以上装置都是孤立地对高压开关柜 电触头温度进行测量，而没有考虑开关柜的负荷、环境参量等状态信息，因此， 这些装置无法对电触头的工作状态进行诊断，只能对异常的温度做出报警，而 当出现异常温度时，开关柜已经处于或接近于故障状态。因而，以上装置都属 于电力设备故障检修的范畴。 10 2 2 数据传输方法研究现状 温度采集设备测出温度之后需要传输到工控机，以便于对所采集到的温度 进行进一步的分析。目前所采用的传输方式主要分为有线传输和无线传输两种。 有线传输方式主要有： 2 r s 一4 8 5 总线方式 由于r s - - 2 3 2 总线的通讯距离是1 2m ，最大也只有1 5 4m ，r s 一4 8 5 总 线的通讯距离是1 2 0 0 m 。所以本文采用了r s 一4 8 5 转r s - - 2 3 2 的数据传输方式。 各采集装置通过r s - - 4 8 5 总线进行并连，r s - - 4 8 5 总线通过转换器与工控机串 1 2 1 相联。这种方法线路简单，工作可靠性高。缺点是相对于光纤通道来说其传 输容量较小，但是对于温度监测系统来说，这样的容量已经足够了。 光纤传输方式 光纤传输方式具有传输损耗低，频带宽，抗干扰性强和安全性能高的优点。 缺点是需要价格昂贵的光纤和光终端机 无线通信方式主要有 无线电台 无线电台方式通信距离远、安装方便。通信效率高，但是容易受干扰、保 密性较差、初期一次性投资大、需要申请频点。 g s m 短信方式 g s m 全名为”g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 什一全球移动通信系 统。g s m 是1 9 9 2 年欧洲标准化委员会统一推出的标准，它采用数字通信技术、 统一的网络标准，使通信质量得以保证，并可以开发出更多的新业务供用户使 用。g s m 移动通信网的传输速度为9 6 科s ，包括了采用数位式系统及分时多工 ( t d m a ) 等技术。g s m 短信是在g s m 技术基础上通过短消息进行数据传输的 方式。g s m 短信方式可以实现主动上报、安装方便。缺点是按条收费、运营费 用较高。在短信中心服务器繁忙时无法保障信息的可靠性和及时性。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 方式 通用分组无线业务( g p r s ) 方式是在现有的g s m 网络上发展起来的一种新 型分组数据传输技术，是g s m 演进过程中推出的一项高速数据服务业务，它 将移动通信技术与i p 技术有机结合，组成了移动i p 网络。与g s m 相比，其频 率利用率和数据传输速率高，用户永远在线，接入速度快，且按量计费。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 方式 蓝牙概念最早由爱立信公司在1 9 9 5 年提出，逐渐被人们接受并广为设计 用于各类民用电子设备、i t 外设的数据通信中。蓝牙规范采用2 4 g h z r 的微波 工作频段，以1 m b p s 的速度在1 0 米到1 0 0 米距离内高速传输。基于蓝牙规范 的蓝牙技术通过缩短通信的持续时间来增强信号传输的稳定性和可靠性。同时， 蓝牙技术还采用多种技术减少信号出错并对信号进行错误校正，以进一步增强 信号传输抗干扰能力和稳定性。更重要的是，蓝牙技术是全球开放的，亦即蓝 牙技术在全球范围内具有很好的兼容性 1 2 3 主站系统的研究现状 当前开关柜温度监测系统主要研究如何测量开关柜温度。而对主站系统的 研究相对较少。虽然随着计算机技术的发展，温度监测系统的主站软件有了很 大的发展，但是这些发展还主要集中在数据显示方式上。如使用图形、图表来 显示温度数据，使用声音、灯光来报警等等。但是对温度数据的分析并没有多 少进展。还停留在限值报警的基础上，即如果温度超过一定的限值就报警。但 是开关柜中的触头的老化是个长期而缓慢的过程。当柜内温度出现异常时，开 关柜已经处于或接近于故障状态。因此当前开关柜温度监测系统都属于电力设 备故障检修的范畴。为保证电力设备安全运行并最低限度地减少停电维修引起 的损失，电力系统中对电力设备的检修正在由故障检修、预防性检修向状态检 修过渡，作为输配电系统中广泛运用的高压开关柜，对其实施状态检修有极大 的重要性。在这种形势下，开发一种新型高精度高可靠性的高压开关柜在线监 测及故障诊断系统具有重大的意义。 4 第二章开关柜温度在线监测技术研究方案 2 1 开关柜温度在线监测技术现状 由于高压开关触头处于高电压、高温度、强磁场以及极强的电磁干扰环境 中，要实现对触头的测温，必须解决电子测量装置在上述恶劣环境条件下的适 应性。目前测温工作方式基本上采用被动式测温或主动式测温两种形式。 被动式测温采用接收被测量点辐射出的远红外波，通过判断远红外波长来 确定测量点温度；而主动式测温则是通过埋设在测量点的温度传感器直接测量 温度。被动式测量的优点在于通过凸透镜直接接收测量点发出的远红外波，接 收器( 传感器) 可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题， 测量系统结构简单：其缺点是只可测量在传感器直视范围内的测量点温度，这 往往成为致命的弱点。 主动式测量的优点在于测量点位置不受限制，传感器安装布置灵活；其缺点 是必需解决传感器在高温、强电场、强磁场环境条件下的工作可靠性、传感器 与主机之间的高电压隔离以及传感器自身的工作电源问题。 目前，在高压开关柜的在线监测中，广泛采用的有两种： 一种是利用红外监测装置，采集红外辐射信号，对在运行条件下的高压开 关柜的触头温度进行测量【4 j 。 红外传感器进行温度测量是通过接收被测目标发出的红外辐射来确定其温 度的。因此可以测量高温的、有腐蚀性的、高压带电的物体，并以其速度快、 范围宽、且对被测温场无干扰等优势在高压电力设备的温度在线监测领域中得 到越来越广泛的应用。 另外，还有基于c a n 总线的红外温度在线监测系统，以及利用红外热成 像仪对电力系统中高压设备进行监测，从而预防和发现故障。其功能包括： ( 1 ) 红外测温技术能够及时发现和检测出设备内部绝缘状态以及外部的发 热缺陷，对设备缺陷及时处理，保证电网的安全运行： ( 2 ) 红外测温技术能及时发现高压电气设备的发热缺陷； 在使用红外技术测温时，需注意h 】： 准确设定被测物体表面的发射率； 尽可能靠近被测物体进行测量，并集焦于被测处，以减小大气衰减，并充 分利用红外一地分辨率； 尽可能直射被测物体表面； 另一种是利用光纤温度监测仪，实现对在运行的高压开关柜的触头温度进 行测量。例如：n s m a r t8 型光纤温度监测仪已用于开关柜触头温度监测，其单 5 个单元装置包括温度传感器、传输光纤、监测仪主机【3 1 。测量电路转换测温点 采集的温度量为相应的电信号，经逻辑控制电路产生数字信号并传给光调制器 调制后由光纤传给监测仪主机，由l c d 屏显示各测点温度。温度测量范围在 - 3 0 + 1 0 0，误差小于0 5 ，分辨率为o 1 。 n s m a r t8 型光纤式温度监测仪还可以组成测量网络，由上位计算机在线监 测所有监测仪所测量的温度。此外，光纤温度监测中，光纤温度传感器是直接 安装到开关柜内的监测点( 如开关触头) 上，在线监测运行温度。 基于光纤传输的温度测试，成功地解决了高压开关柜中触头温度的测量。 其功能，优点如下： 功能： 1 ) 实现高压、强磁场、狭窄空间下的信号拾取，传输与转换； 2 ) 热敏元件的线性化处理与量程定标； 3 ) 自动显示及控制。 优点： i ) 热敏元件性能稳定，应用v f 转换技术及光纤传输技术，抗干扰的能 力强； 2 ) 与微机相连，可进行远程控制，实现了电力系统的网络控制与监测。 3 ) 光纤式温度在线监测仪，采用光纤传导温度值，不受高压和环境的干扰， 监测仪所带的光纤测温传感器能够安装到欲测带电物体的表面，直接检测出温 度值； 4 ) 由于开关柜内的空间非常狭小，光纤可以根据开关柜的内部结构弯曲成 不同形状，不影响原有的开关设备 2 2 本系统研究方案 以上这些监测方法都是对高压开关柜进行点对点的温度测量，在测温原理 和方式上分别具有不同程度的局限性： ( 1 ) 红外温度传感器在高压开关柜内的安装是固定的，且红外测温探头必 须与被测物体保持一定的安全距离，这在空间狭小的开关柜内部安装较为困难， 同时有可能降低开关柜内部的绝缘净距。此外，红外探头测温的方式容易受到 开关柜内部元件对红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得触头温度，虽然可 以采取一定的校正，但红外辐射的影响因素很多且具有时变性，无法对其一一 校正。因而，这种方式通用性较差无法推广使用。 ( 2 ) 光纤测温的方式目前应用较多，光纤温度传感器测温头通常采用粘接、 捆扎两种方式安装，来测量触头温度的，这种接头是固定的。正是因为这一原 因，当开关柜内故障、温度升高时，有可能会导致电触头动作有较大的振动， 6 从而严重影响测温头感温面的感温性和热传导性。此外，光纤温度传感器所配 套的光纤传感网络分析仪体积较大，无法在开关柜内部安装，同时该分析仪只 提供了与单台p c 机的通信接口，无法嵌入已有的自动化监测系统中。 ( 3 ) 目前所采用的高压开关柜在线监测技术，只能对高压开关柜进行点对 点的温度测量，而不能对高压开关柜内各点进行全面监测，缺乏灵活性，且在 价格方面都比较昂贵。 总之，以上装置除了上述局限性外，还存在高压开关柜故障诊断策略上的 共同局限性。并且，它们都是孤立地对高压开关柜电触头温度进行测量，而没 有考虑开关柜的负荷、环境参量等状态信息，因此，这些装置无法对电触头的 工作状态进行诊断，只能对异常的温度做出报警，而当出现异常温度时，开关 柜已经处于或接近于故障状态。因而，以上装置都属于电力设备故障检修的范 畴。 本文在总结目前研究现状的基础上，综合考虑了高压开关柜的内部实时温 度以及负荷、环境温度等因素，提出并研究了一种新型高精度、高可靠性、廉 价的高压开关柜在线监测及故障诊断系统，通过数字式感温器表征高压开关柜 运行状态的温度参量进行在线监测，利用监控中心计算机的专家系统对高压开 关柜的状态进行诊断，实现自动在线监测。 2 2 1 设计思路 高压开关柜在线监测系统作为开关柜的附加功能系统，测温装置的灵活、机 动和造价成本是其能否推广的重要问题。本文将过去针对高压开关柜的故障检 修、预防性检修过渡到先进的状态检修，提高高压开关柜的运行水平，降低事 故率，保障变电站的安全可靠运行。 本系统的设计原理是通过数字式感温器对高压开关柜运行状态的温度参量 进行在线监测，对多台高压开关柜的实时温度进行横向比较，以及对某一开关 柜的温度监测值进行纵向比较，利用监控中心计算机的专家系统对高压开关柜 的状态进行诊断。通过对开关柜等关键部件的监测，可以对其电寿命进行预测， 从而对变电站运行提出指导，为电力调度提供参考，对有可能发生的故障做出 预警。 系统运行目标：集计算机技术和无线、有线通讯技术于一体，建造先进的 触点温度实时监测系统，确保高压开关柜安全，掌握设备运行状态。及时发现 接触不良的触点，避免因突然停电造成生产事故，从而带来不必要的经济损失。 2 2 2 系统框架方案 系统由数字式感温器、数据采集器、通讯控制器以及监控中心总机组成。 7 数字式感温器在柜内分三层布置，每层五个，安装在矩形的四个角和中心点， 完成柜内空间温度场的测量；数据采集器有两个作用：第一，采集温度传感器 的信号，再转换为温度值，第二，与通讯控制器组网通讯把温度数据上传；通 讯控制器一方面以r s 4 8 5 方式与数据采集器组网通讯，巡回收集各数据采集器 信号，另一方面向计算机连续发送各开关柜温度数据。 在系统的数据处理方面，主要由两个方面的比较： ( 1 ) 对同级的高压开关柜温度采集值进行横向比较，因为他们处于同级， 其工作电流是相等的，环境温度一致，其所测温度应相等或相差不大。如若检 测到的温度值出现异常，可以就某一个异常的高压开关柜进行重点监测，从而 调出该柜的各点温度监测值，确定实际的温度异常点； ( 2 ) 对每一个高压开关柜的温度检测值进行纵向比较，因为如某一开关柜 出现异常，其温度值的变化率会发生变化，当开关柜某点温度变化率出现异常， 可以推断是否该点出项故障，并通过专家系统的分析是否超出的某一故障点的 上限，从而判断开关柜是否故障。 图2 - l 系统框方粟 开关柜内的传感器获得表征高压开关柜运行的温度参量值。数据采集器采 集开关柜内所有传感器的信号，并将初步处理后的数据汇总并传送至监控中心 总机。监控中心总机接收所有开关柜数据采集器发来的数据，所有的数据都存 入数据库供事后分析以及制作报表输出；监控中心总机通过r s 4 8 5 总线经由 r s 9 7 9 4 协议转换器与变电站s c a d a 相连，获得开关柜的有关运行数据：监控 3 中心总机专家系统软件根据开关柜数据采集器所采集的状态参量数据和变电站 s c a d a 提供的开关柜运行数据对开关柜运行状态进行综合智能分析。 2 3 传感器系统设计 高压开关柜中所用传感器主要为温度传感器和集成数字式温度传感器。集 成温度传感器的输出信号有模拟和数字两种，以数字信号作为输出的称为数字 式温度传感器，本文就是采用数字式温度传感对高压开关柜内温度进行测量。 通过对其温度值进行分析和比较，判断高压开关柜内部是否存在异常，从而实 现高压开关柜内部运行情况的在线监测。 数字式温度传感器是集成温度感温器的一种，它采用半导体集成电路与微 控制器技术，在一个管芯上集成了半导体温度测量芯片，数据信号转换芯片， 计算机接口芯片，存储芯片等多个功能模块。一些数字温度传感器除了完成温 度检测功能外，还可以同时完成可预置温度范围报警，多路a d 转换，温度补 偿等功能。本文在设计中采用了d s l 8 8 2 0 数字式温度传感器。 d s l 8 8 2 0 的体积非常小、结构也非常简单( 见图2 2 ) ，故非常适合在空 间拥挤的高压开关柜内灵活布置。 图2 - 2d s l 8 8 2 0 的结构 d s l 8 8 2 0 是m a x i m 公司的产品，其测温范围为5 5 。c + 1 2 5 。c ，测温精度 为4 - o 5 0 c ( 1 0 。c + 8 5 。c 测温范围内) ，工作电压范围为3 v , - v 5 5 v 本系统中d s l 8 8 2 0 在高压开关柜温度在线监测系统中的布置分为三层，每 层五个，安装在矩形的四个角和中心点，完成柜内空间温度场的测量。 2 4 开关柜数据采集器 开关柜数据采集器处理来自柜内所有传感器的信号，将数据传送到监控中 心计算机，并接收监控中心计算机发来的指令。数据采集器有两个作用：第一， 采集柜内环境温度传感器的信号，再转换为温度值；第二，通过r s 4 8 5 总线与 上位机通信，接收上位机的指令，并向上位机发送各开关柜温度数据 9 2 4 1 开关柜数据采集器硬件设计 开关柜数据采集器的核心是单片机芯片( m c u ) ，在本设计中采用了美国 s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片开发，该芯片为工业级芯片， 满足开关柜工作环境下的要求。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片中集成了a d 转换、串 行口、电源管理等模块，并提供了丰富的通用i o 口，便于用户硬件设计并提 高了可靠性。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机芯片的开关柜数据采集器硬件框图如图2 3 图2 - 3 数据采集器系统框图 2 4 2 开关柜数据采集器固件设计 开关柜数据采集器固件系统流程如图2 4 ： l o 图2 4 开关柜数据采集器固件系统流程 由图3 - 9 可见开关柜数据采集器固件主要由以下几个模块组成： 1 系统初始化模块 系统初始化模块的作用是在数据采集器上电时完成对系统各硬件模块的初 始化设置 2 数据采集模块 数据采集模块完成对所有数字温度传感器的信号的采集。 3 通信模块 。 通信模块完成与监控总机的通信。监控总机按照一定的时间间隙对数据采 集器进行巡检，被巡检到的数据采集器必须按照指令发送所采集到的数据。通 信模块的固件流程如图2 5 图2 5 通信模块固件流程 2 5 数据采集器电磁兼容设计 2 5 1 高压开关柜内的电磁干扰 高压开关柜内电磁干扰分为外部干扰和内部干扰【9 1 。外部干扰主要包括高 压开关操作、短路故障、雷电、电晕放电、高电压大电流的电缆和设备向周围 辐射电磁波、高频载波和对讲机等辐射干扰源，以及附近电台、通信等产生的 电磁干扰、静电放电等。内部干扰是由自动化系统的结构、元件布置和生产工 艺等决定的，主要有杂散电感、电容引起的不同信号感应，长线传输造成的波 反射、寄生振荡和尖峰信号引起的干扰等。但是，不论是内部干扰还是外部干 扰，都具有相同的物理特性，所以消除和抑制它们的措旌基本是相同的。高压 开关柜是一个封闭系统，其金属柜体对外部电磁干扰有较好的屏蔽作用，以下 重点讨论高压开关柜内的电磁干扰。 高压开关柜内电磁干扰源主要包括： 触头动作引起的高频电磁干扰 由于回路中分布电容和电感的存在，触头关合动作往往引起高频振荡，振 荡的频谱在0 5 1 0 0 m h z 范围内、在频率为2 0 m h z 附近的辐射电磁场强度最 大。触头动作引起的高频电磁干扰持续时间很短，但辐射强度非常大，在辐射 1 2 电场强度的幅值为l 5k v m ，磁场强度的幅值为a m 。 绝缘表面污秽放电和结缘内部局部放电引起的高频电磁干扰 高压开关柜内有大量的绝缘件，这些绝缘件在长期高温、积污工作环境下 其材料性能会有所降低，因此引起的一些放电现象会产生相应的高频电磁干扰。 绝缘表面污秽放电主要来自支柱绝缘子，虽然高压开关柜内没有大的污秽源， 但内部空气不流通，久而久之会有相当数量的粉尘积累在绝缘子表面，当空气 湿度较大的时候将发生绝缘表面的污秽放电。局部放电主要来自c t ，目前的 c t 均为干式c t ，采取环氧树脂灌注的工艺，此种制造技术对工艺的要求很高， 如果略有欠缺将可能导致固化后的环氧树脂内存在微气泡，而这些微气泡就是 局部放电的根源。 此外，开关柜内其他二次设备也可能产生一定的电磁干扰。 消除或抑制电磁干扰，可针对电磁干扰的三要素一一干扰源、传播途径和 电磁敏感设备来进行。可在系统的硬件和软件方面采取一些必要的措施，以期 消除或抑制电磁干扰。 根据抗干扰能力的原理，目前广泛采用的电磁兼容技术的设计方法有： 切断干扰源 减小耦合 提高受干扰系统( 或设备) 的敏感度阀值 在实际情况中，往往是3 个因素综合考虑，并按一一的顺序来采取 措施，以获得最佳的效果。并且，电磁兼容技术的设计要从电磁兼容的3 个基 本要素着手，从原理的可行性、元器件的选择、加工生产工艺、安装运行环境 等几个方面来考虑。把握不同类型电磁干扰的本质，对不同的干扰频率、频谱 采用相应的滤波、隔离、接地、屏蔽等措施【l o 】。 l 、滤波是利用滤波器来抑制电磁干扰，滤波器是由集中参数的电阻、电容 和电感，或者是分布参数的电阻、电容、电感构成的一种网络，这种网络只允许 有用信号的频率分量通过，阻止其他干扰频率通过，使电磁干扰减少到满意的 工作电平上。滤波器是防止传导电磁干扰的主要措施，如电源滤波器解决传导 干扰的问题；滤波器同时也是解决辐射干扰的重要武器，如抑制无线电干扰， 在发射机的输出端和接收机的输入端安装相应的电磁干扰滤波器，滤掉干扰信 号，以达到电磁兼容的目的。滤波器工作方式有两种：一种是不让无用信号通 过，并把它们反射回信号源；另一种是把无用信号在滤波器里消耗掉。在采用 滤波方法来抑制传导干扰时，首先要了解干扰源的频谱、干扰源在频带中的分 布情况，干扰波幅值等。可以通过干扰仪器来检测，获得干扰源的频带分布和 幅值，有针对性地选择滤波器的种类或者设计滤波器电路。 2 、隔离是干扰线路( 馈线) 周围存在干扰电磁场，当其他线路( 导线) 在其附 近时，由于电磁耦合而形成干扰。防止这种干扰最简单而有效的方法是将干扰 线路与其它线路隔离开来，以切断或削弱它们之间的电磁耦合。 2 5 2 数据采集器电磁兼容设计 高压开关柜运行在高电压、大电流的状态，系统事故瞬间还出现强烈的电 磁暂态过程，这些都产生强电场、磁场及强电磁干扰，这对于微电子系统及微 弱信号处理非常不利【7 】。根据上述原理，为消除这些干扰，同时采用软、硬件 抗干扰措施，在软件设计上应用数字编码、解码技术，剔除干扰信号，并使用 了软件滤波技术；在硬件上采用金属屏蔽，加强各级滤波消除高频干扰。检测 器与测温点处于同一电位，减少电场的影响。另外为消除随机干扰，利用触头 温度变化相对缓慢的特点，对检测点信号反复接收，多次采集，排除异常数据 以保证数据可靠，通过以上综合措施，整机有了较好的抗干扰能力，测量数据 稳定可靠。 ” 由于高压开关柜内强烈的电磁干扰，本系统采用了较完备的电磁兼容设计。 对于触头动作、绝缘局部放电引起的高频电磁干扰，采用电导率良好 并具有一定厚度的铝合金外壳予以屏蔽；凡是基于电信号的传感器全部选用金 属封装并采用屏蔽电缆传输信号；所有的接插件都选用优质品；电源进线加装 电源滤波器：数据采集器线路板上的弱信号处理模块采用铜屏蔽罩屏蔽。 对于工频干扰，在数据采集器线路设计上采用工频陷波器予以抑制； 电源变压器初、次级绕组间加装静电屏蔽层，变压器本体用软铁外壳实施磁屏 蔽；数据采集器电源进线串联共模和差模电感，从而防止工频干扰。 对于强电磁脉冲可能对m c u 芯片造成的干扰，在软件设计上采取冗余 设计，保证数据采集器稳定运行：同时启用m c u 的w a t c h d o g 模块，使得数据 采集器即使失控也能重新恢复正常运行。 1 4 3 1 软件系统结构 第三章监测软件系统简介 开关柜温度监测软件可以分为三个层次：操作系统、支撑软件、应用软件。 如图3 1 所示： 譬 数据库管理系统 豳 图3 1 监测软件结构图 操作系统采用微软公司的w i n d o w sx p 操作系统；支撑软件指数据库管理 系统，本系统采用微软公司的a c c e s s 数据库管理软件；应用软件指完成温度 监测功能的应用软件。它是在操作系统和支撑软件之上根据需要自行开发的软 件。包括数据处理的服务器、接收和发送数据的通信模块。进行数据库配置的 数据库配置模块、历史数据查看的历史应用模块和报警模块。 温度监测软件系统是一个具有实时多任务、接口开放、使用灵活的软件系 统。多任务是指监测软件可以在数据采集与输出的同时，可以实现实时数据处 理、实时数据库存储等。 本文设计的软件由多个模块组成，各个模块之间的通信通过共享内存来实 现。实时数据库负责机器内各应用程序的实时数据交换。程序模块与数据库的 通信通过o d b c 技术完成。 下面介绍监测软件的各部分功能： 1 服务器。它是整个软件系统的核心模块。负责实时数据的管理、报警的 产生，历史数据的存储。 2 通信模块。它负责和系统外的数据交换。包括收集采集装置测量的温度 数据，调度系统传送进来的电流数据，发送给调度系统的报警信息和温度数据。 3 报警模块。它负责提醒用户开关柜的异常情况。当报警服务器产生报警 时，由报警模块通知用户报警信息的内容。 4 历史应用模块。以图表的方式向用户提供系统运行的历史数据信息。 5 数据库配置。它以友好的界面提供数据录入功能。各数据信息之间提供 1 5 完美的关联性，以减少用户录入数据出错的机率。 3 2 数据组成结构 为了加强对数据的管理，温度监测软件系统对数据进行了分层管理。其分 层的思想借助了i e c 6 1 9 7 0 标准规范【2 7 1 。i e c 6 1 9 7 0 标准是i c e ( 国际电工委员会) 第5 7 技术委员会为使能量管理系统( e m s ) 走向标准化而制定的一套标准。 i e c 6 1 9 7 0 标准规范包括5 个部分： 1 i e c 6 1 9 7 0 1e m s a p i 第一部分导则和基本要求。 2 i e c 6 1 9 7 0 2e m s a p i 第二部分：术语。 3 i e c 6 1 9 7 0 3 0 1e m s - a p i 第3 0 1 篇公共信息模型( c i m ) 基础。 4 i e c 6 1 9 7 0 3 0 2e m s a p i 第3 0 2 篇共用信息模型财务、能量计划和预定。 5 i e c 6 1 9 7 0 3 0 3e m s - a p i 第3 0 3 篇：公共信息模型( c i m ) 本文只采用了第3 部分的公共信息模型基础部分。而且考虑实际情况，本 文建立的数据模型对i e c 6 1 9 7 0 的c i m 模型作了适当的扩展。 温度监测软件的数据层次如图3 2 所示： 图3 - 2 数据层次图 最顶层的是厂站( s u b s t a f f o n ) 它一般指变电站或变电所。下面一层是设备 ( e q u i p m e n t ) 或x t u 。设备一般是指在电力系统中的一次设备。x t u 是指采集数 据的采集装置。设备和x t u 依附于一个厂站而存在。再向下一层是指量测 ( m e a s u r e m e n t ) 。一个量测是指一个具体的采样。一个量测一定依附于一个设备， 即一个量测必定是电力系统中某个设备的采样。但是一个量测可能依附于一个 采集装置也可能不依附于一个采集装置。当一个量测依附于一个采集装置时， 表示这个量测是由采集装置对设备的一个采样，如果一个量测没有依附于一个 采集装置表示这个量测是由系统通过计算得到的。 电力系统中的设备常常具有相同的量测，如开关柜l 和开关柜2 都具有“a 1 6 。苟 相电流一这个量测。为了便于程序处理，抽象出一个新的数据类型“量测名称 ( m e a s u r e m e n tn a m e ) 。测量名称保存量测的名称，它不代表一个具体的量测， 它和一个具体量测之间存在关联关系。如图3 2 量测2 和量测名称之间的直线 表示量测和量测名称之间的关联关系。直线上方的“o n 表示一个量测名称 属于o 个或多个量测。直线上方的“l 表一个量测只能有一个量测名称。作为 相同的理由，把量测的单位也抽象成一个数据类型。单位和量测之间也存在一 个关联关系。如图3 2 量测2 和单位之间的直线表示量测和单位之间的关联关 系。直线上方的“o n 刀表示一个单位可以属于0 个或多个量测。直线上方的 “0 l 一表一个量测没有单位或者只有一个单位。 除了上述的所提到的数据类型外，4 还有通道( c h a n n e l ) 类型它表示采集器和 主站电脑之间传送数据的通道。报警( a l a r m ) 信息类型，它存放产生报警时的 报警信息。 3 3 数据库设计 历史数据库以表的形式保存系统的基本信息和历史数据，历史数据库对各 种数据类型定义一个表以保存系统的基本信息，这些表包括：变电站表 ( s u b s t a t i o n ) 、单位表( u n i t ) 、测点表( m e a s u r e m e n t n a m e ) 、设备表 ( e q u i p m e n t ) 、y c 表( y c d a t a ) 、y x 表( y x d a t a 、y m 表( y m d a t a ) 、y c 历史数据表( y c v a l ) 、x t u 表、c h a n n e l l d 表。各个表的定义如下： 变电站表( s u b s t a t i o n ) ( 有的为关键字段下同) 序号字段类型是否允初 说明c i m 模型 许空 值 l i d *i n t 标识 2n a m e v a r c h a r 5 0 】 j 名称 n a m e i n g n a m e 单位表( u n i t ) 序号字段类型是否允初值说明c i m 模型 许空 li d *i n t ， 标识 2 n a m e v a r c h a r 5 0 】 t 名称 n a m e i n g n a m e 1 7 测点名表( m e a s u r e m e n t n a m e ) 序字段类型是否初说明c i m 模型 号允许值 空 1i d *i n t 标识 2n a m e v a r c h a r 5 0 】 - 名称 n a m e i n g n a m e 3m t i d i n t 测点类型 设备表( e q u i p m e n t ) 序号字段类型是否允许 初说明c i m 模型 空8值 1i d *i n t 标识 2n a m e v a r c h a r 5 0 】 - 名称 n a m e i n g n a m e 6s t i di n t 0 所属厂站 e q u i p m e n t m e r e b e r o f _ e q u i p m e n t c o n t a i n e r y c 表( y c ) 序号 字段类型是否允初说明c i m 模型 许空值 1 i d i n t 标识 2n a m e v a r e h a r 5 0 】 名称 n a m e i n g n a m e 3 u n i t v a r c h a r 2 0 】 单位m e a s u r e m e n t u n i t 4s t i di n t 厂站号 5 e q i p t y p e i n t - l设备类型 号 6 e q i p l d i n t - l设备号 7 m t y p e i d i n t - l测点类型 号 8m n i d i n t 测点名称 号 1 8 9x t u i d i